Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

межуточные линии соответствуют уровням энергии электрона ег, ез, . . находящегося на второй, третьей и т. д. орбитах.

Поскольку нижний уровень соответствует меньшей энергии, то естественно, что для перевода электрона с первой орбиты на вторую или с нижнего уровня на более высокий ему необходимо сообщить дополнительную энергию, измеряемую целым числом квантов hv. Переход электрона на более высокий уровень назы­ вается возбуждением, а сам электрон возбужденным.

Передача такой дополнительной энергии электрону возможна либо от другого электрона при столкновении атомов, либо путем восприятия одного из видов электромагнитных колебаний: рент­ геновского, видимого или инфракрасного.

При переходе возбужденного электрона с более высокого уровня на более низкий или при возвращении его на одну из внутренних орбит выделится энергия в виде излучения электро­ магнитной волны определенной частоты. При этом согласно зако­ ну сохранения энергии энергия излучаемых квантов (фотонов) равна

/iv = e(j , = =2 гх,

где ез и si .— энергии электрона соответственно верхнего и ниж­ него уровней (орбит 2 и 1).

Из этого соотношения следует, что частота излучения, опре­ деляющая его спектральный состав, будет

v измеряется в 1/с.

В этих формулах ел соответствует энергии верхнего уровня в джоулях, a en-i — энергии более низкого уровня, с — скорость распространения света в м/с, h — постоянная Планка, равная

6.625-10-34 Вт-с2.

Вертикальные стрелки на рис. 3.1, б показывают возможные переходы электрона в атоме водорода, сопровождающиеся излу­ чением энергии определенной длины волны. Так, при переходе с орбиты 3 на орбиту 2 атом излучает красный свет с длиной вол­ ны 6562 А. Переход электрона на орбиты 3 и 4 сопровождается излучением в инфракрасном диапазоне волн.

Совокупность отдельных линий излучения составляет спектр. Атомы каждого элемента имеют свой вполне определенный спектр излучения, поэтому разные атомы излучают (светятся)

63

по-разному. Одни дают больше красных лучей, другие — зеле­ ных, третьи — голубых. Отметим попутно, что это свойство ато­ мов и позволяет по спектру излучения определять химический состав веществ.

С п о н т а н н о е и и и д у ц и р о в а н н о е и з л у ч е н п я. В тепловых и люминесцентных источниках излучения вследствие хаотичного теплового движения молекул часть энергии этого движения переходит в энергию внутренних движений и колеба­ ний атомов, которые, возбуждаясь вследствие поглощения кван­ тов энергии, переходят на более высокие энергетические уровни. Через некоторый промежуток времени, порядка 10-7 с, атомы самопроизвольно перейдут па нижний уровень, либо останутся в каком-то новом промежуточном состоянии.

Переход возбужденного атома на пнжнпй уровень, как п у электрона, сопровождается испусканием кванта избыточной энер­ гии. При этом переход атомов с верхних уровней совершается разновременно п на разные уровни, вследствие чего испускание квантов энергии (фотонов) носит беспорядочный, случайный ха­ рактер, а излучение имеет разные частоты, фазы н амплитуды, т. е. некогерентно. Электромагнитные волны, испускаясь в виде беспорядочно следующих одна за другой независимых волновых посылок, усиливаются или гасят друг друга совершенно случай­ ным образом. Такой процесс излучения носит название спонтан­ ного.

Суть спонтанного излучения состоит в том, что, получив от­ куда-то лишнюю энергию, атом возбуждается п самопроизволь­ но (спонтанно) стремится ее отдать, а отдав, испустив квант света, возвращается в нормальное (основное) певозбужденное состояние. В этом процессе заключается физическое объяснение сияния звезд, горения лампы, свечи п т. д.

Проще всего заставить атомы возбудиться, воздействуя па них теплом. Например, при трении спички о коробку темпера­ тура головки спички резко увеличивается, интенсивно выделяет­ ся газ, в котором атомы, двигаясь с колоссальными скоростями, сталкиваются друг с другом. Соударяясь, они возбуждаются, переходят в более высокие энергетические состояния и тут же за очень малое время (10~7—10~8 с) переходят на нижний уро­ вень, освобождаясь от полученной при столкновении энергии, из­ лучая ее в виде фотонов света. В результате получается светя­ щееся пламя в виде веера расходящихся лучей.

Во всех известных до сего времени излучателях световой (тепловой) поток представляет собой расходящийся беспорядоч­ ный поток фотонов. Этот принципиальный недостаток тепловых и люминесцентных излучений и ограничивает их применение, так как они не позволяют генерировать волны такой же мощности и той же спектральной чистоты, какие достижимы в радиотех­ нике.

6 i

Получение когерентного, узконаправленного и монохромати­ ческого излучения стало возможным только с открытием и ис­ пользованием свойств так называемых стимулированных пли ин­ дуцированных переходов. Сущность этих переходов заключается в следующем.

Если на возбужденный атом воздействовать электромагнит­ ным излучением, частота которого совпадает с частотой колеба­ ний, вызвавших возбуждение атома, то атом совершает переход на нижний уровень, высвобождая при этом энергию. В резуль­ тате такого явления пришедший со стороны фотон, воздействуя на возбужденный атом, вызывает испускание им точно такого же фотона. Это явление получило название индуцированного или вынужденного излучения.

Оба фотона, как индуцирующий, так и испускаемый при этом обладают одинаковой энергией, двигаются в одну сторону и следуют точно в такт друг другу. Нельзя отличить, какой из них вызвал вынужденное излучение, а какой был вызван излу­ чением. Эта тождественность фотонов приводит к тому, что при взаимодействии каждого из них с новым возбужденным атомом получается уже 4 фотона вместо 2, а затем 8, 16 п т. д. Таким образом, в квантовой системе, состоящей из возбужденных ато­ мов, одни фотон способен в короткое время породить лавину та­ ких же фотонов, т. е. возникает процесс усиления.

Чтобы процесс усиления не смог затухнуть, систему, в кото­ рой началось индуцированное (вынужденное) излучение, поме­ щают между двух зеркал. В этом случае излученные фотоны, попадая на зеркала, отражаются ими и опять попадают в кван­ товую систему, вызывая новый поток фотонов. Приборы, в кото­ рых осуществляется усиление индуцированного излучения кван­ товой системы, называются оптическими квантовыми генератора­ ми (ОКГ) или лазерами. Таким образом, квантовый генератор является прибором, усиливающим собственное излучение и отда­ ющим его в пространство.

Поскольку процесс усиления носит лавинообразный характер, то практически получается, что все возбужденные атомы излу­ чают фотоны одновременно, в одной фазе в весьма узком диа­ пазоне длин волн. Отсюда вытекает, что индуцированное излуче­ ние носит когерентный характер.

И н в е р с и я н а с е л е и н о с т е й у р о в н е й, метастабильное состояние. Итак, мы установили, что для получения индуци­ рованного когерентного излучения необходимо наличие возбуж­ денных частиц (электронов, атомов). В то же время известно,что нормальное равновесное состояние квантовых систем характери­ зуется наименьшей энергией, при которой частицы системы на­ ходятся па нижних уровнях.

Конечно, в результате хаотического теплового движения ка­ кое-то количество частиц возбуждается и переходит на верхние уровни. При основном (равновесном) состоянии системы насе-

ленмость частиц по уровням характеризуется формулой Больц­

мана

е .

(3.3)

где Ni — число частиц на t-м уровне;

.4 — нормированная постоянная; е,- — энергия t'-ro уровня;

к— постоянная Больцмана;

Т— температура в К.

Из соотношения (3.3) следует, что при любом положительном значении Т число частиц с возрастанием энергии уровней убы­ вает, т. е. имеет место неравенство tV„<N,„ при en>e,n, где ин­ декс п соответствует более высокому уровню, а иг — более низ­ кому. Чтобы получить индуцированное излучение, необходимо создать такое состояние системы, при котором число частиц на верхнем энергетическом уровне было бы больше числа частиц на нижнем (инверсия населенностей уровней), т. е. чтобы соблюда­ лось неравенство N„>Nm при еп>е,п. Формально такое распре­ деление частиц по энергетическим уровням можно получить, если температуру Т в формуле Больцмана считать отрицательной. Поэтому состояние систем, у которых верхний уровень имеет большее число частиц, чем нижний, получило название состоя­ ний с «•отрицательной» температурой, или с инверсной населен­ ностью уровней. Отсюда следует, что одной из основных харак­ теристик систем с «отрицательной» температурой является на­ личие возбужденных активных частиц, образующихся в единицу времени, и избыток их на верхнем уровне по отношению к ниж­ нему. Получение состояний с инверсной населенностью является непременным п главным условием работы ОКБ, т. е. генерирова­ ния когерентного излучения.

В каждой системе, в каждом веществе существует свое зна­ чение критической (пороговой) инверсной населенности частиц ANh, при которой возникает генерация излучения. Величина ANk определяет основное условие генерации

Указанное условие можно создать, если время нахождения (жизни) частиц на верхнем уровне будет больше времени пере­ хода частиц на нижний исходный уровень. Такое положение достигается промежуточными, или метастабильнымн уровнями.

Расположение этих уровней (рис. 3.2) характеризуется тем, что вероятность перехода на них частиц с возбужденного уровня 3 больше вероятности перехода на нижний уровень 1, в то время как вероятность перехода частиц с промежуточных уровней на уровень 1 меньше вероятности перехода с уровня 1 на уровень 3. При таком перераспределении вероятностен, обеспечиваемом соответствующим подбором времени переходов, осуществляется

66

инверсия (перестановка частиц), в результате которой на проме­ жуточных (метастабнльиых) уровнях 2 число частиц (атомов, ионов) по отношению к уровню 1 становится больше. Находясь на этих уровнях, частицы пребывают в так называемом метастабильном состоянии. Теперь достаточно одной из них совер­ шить переход из этого состояния на ннжний уровень, как выде-

г

£.

Рнс. 3.2. Схема трехуровневой квантовой системы:

ленный при этом квант энергии вызовет стимулированное излучение других частиц с одновременным их переходом в состояние 1.

Таким образом, для получения стимулированного (индуциро­ ванного) когерентного излучения необходимо иметь:

—квантовую систему (активное вещество);

—источник энергии, переводящий частицы в возбужденное

состояние;

— перенаселенность верхнего энергетического уровня по сравнению с нижним (состояние с инверсной населенностью).

Теперь, рассмотрев физические основы работы когерентных источников, перейдем к изучению устройства квантовых генера­ торов: на твердом теле, газах и полупроводниках.

§ 3.2. ГЕНЕРАТОРЫ НА ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

Известно несколько десятков материалов кристаллической и аморфной структуры, которые используются в качестве активно­ го вещества в квантовых генераторах. Наибольшую известность и применение получили кристаллы синтетического рубина (А120 3), так как в нем оказалось довольно легко получить под­

67